سازه فلزی انواع مختلفی دارد و در کل به کلیه سازه‌های فولادی (آلیاژ آهن و کربن) اطلاق می‌شود. سازه‌های فلزی نه تنها در بخش ساختمان سازی و بلند مرتبه سازی بلکه در صنایع پتروشیمی، کشاورزی، حمل و نقل و گردشگری هم کاربردهای زیادی دارد. در این مقاله از وبلاگ ابرگان سازه به انواع سازه فلزی یا فولادی، ویژگی‌ها و کاربری‌های هر کدام پرداخته شده است. در ادامه با ما همراه باشید.

 

سازه فلزی چیست؟

به تمام دست سازهای مهندسی در ابعاد کوچک و بزرگ سازه فلزی گفته می‌شود. سازه‌های فلزی با ساخت پل‌های قوسی چدنی پا به عرصه صنعت گذاشتند و اکنون بسیاری از سازه‌های مشهور جهان مانند برج ایفل، گلدن گیت، برج خلیفه دبی و … با استفاده از سازه‌های فلزی ساخته شده‌اند. امروز سازه فلزی در ساخت خانه پیش ساخته هم کاربردهایی پیدا کرده اند. در ادامه به معرفی انواع سازه فولادی پرداخته شده است.

شرکت ابرگان سازه با تجربه چندساله و بهره گیری از جدیدترین تجهیزات و برخورداری از الزامات و استانداردهای بین‌المللی اجرای سازه فلزی آماده ارائه هرگونه خدمات در زمینه طراحی و ساخت سازه فولادی (فلزی) است.

 

انواع روش اجرای سازه فلزی

سازه‌های فلزی با توجه به نوع و شکل آن‌ها و همچنین محل استفاده و شرایط پروژه، با روش‌های مختلفی اجرا می‌شوند. در ادامه به برخی از روش‌های اجرای سازه فلزی اشاره می‌کنیم:

۱- ساخت در کارخانه: در این روش، قطعات فلزی سازه در کارخانه تولید شده و سپس به محل پروژه منتقل می‌شوند و در آنجا به یکدیگر متصل می‌شوند. این روش اجرایی به دلیل اینکه قطعات در شرایط کارخانه ساخته می‌شوند، کیفیت بالاتری دارند و باعث سرعت بیشتری در اجرای پروژه می‌شوند.

۲- ساخت در محل: در این روش، قطعات فلزی سازه در محل پروژه ساخته می‌شوند. این روش اجرایی برای پروژه‌هایی با شکل‌ها و ابعاد مختلف مناسب است و می‌تواند هزینه‌های ساخت را کاهش دهد.

۳- نصب قطعات پیش‌ساخته: در این روش، قطعات فلزی سازه در کارخانه تولید شده و در محل پروژه به صورت پیش‌ساخته نصب می‌شوند. این روش اجرایی به دلیل سرعت بالای نصب و کاهش هزینه‌های ساخت، در پروژه‌های بزرگ و پیچیده مورد استفاده قرار می‌گیرد.

۴- روش بالابری: در این روش، سازه فلزی از طریق بالابری به محل قرارگیری آن منتقل می‌شود. این روش اجرایی در پروژه‌هایی که برای دسترسی به محل ساخت سختی وجود دارد، مناسب است.

۵- روش اتصال جوشی: در این روش، قطعات فلزی سازه با استفاده از جوش، به یکدیگر متصل می‌ شوند. این روش اجرایی در پروژه‌هایی که نیاز به ایجاد اتصالات قوی و محکم بین قطعات دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

۶- روش اتصال پیچ و مهره: در این روش، قطعات فلزی سازه با استفاده از پیچ و مهره به یکدیگر متصل می‌شوند. این روش اجرایی به دلیل سرعت بالای انجام کار و امکان تعویض و تعمیر قطعات سریع‌تر، در پروژه‌های کوچک و ساده مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

انواع سازه فلزی کدام است؟

انواع سازه فلزی یا فولادی را بسته به نوع تحمل نیروها وارده بر آن به چهار دسته کلی سازه‌های قابی یا قاب بندی شده، پوسته‌ای، معلق و خرپایی تقسیم می‌کنند. در ادامه به تفصیل به هر دسته از سازه‌های فلزی پرداخته شده است.

• سازه قابی یا قاب بندی شده (Framed structure)
• سازه پوسته‌ای (Shell structure)
• سازه معلق (Suspension structure)
• سازه خرپایی (Truss structure)

 

سازه فلزی قابی یا قاب بندی شده

سازه فلزی قابی (Framed structure) از رایج ترین انواع سازه فلزی است و آن را می‌تواند به تمام سازه‌هایی که اسکلت آنها با استفاده از پروفیل‌های آی (I) شکل فولادی ساخته شده است نسبت داد.

این نوع سازه فلزی برای ساخت سازه‌های مرتفع، برج‌ها، ساختمان‌های مسکونی، سازه های صنعتی، سازه‌های ورزشی و سوله‌ها کاربرد زیادی دارد. ساختمان اسکلت فلزی یک نوع متداول از سازه فلزی قابی است که می‌تواند به آن اشاره کرد.

همانطور که از نام سازه فلزی قابی برمی‌آید، این سازه تنها بخش اسکلت، قاب یا چارچوب سازه را تشکیل می‌دهد و بخش‌های دیگر آن مانند سقف و دیوارها از مصالح ساختمانی دیگر می‌تواند استفاده شود. البته گاهی از سقف‌های فولادی با نام تجاری سقف عرشه فولادی نیز برای سازه‌های فلزی قابی استفاده می‌شود که با توجه به بودجه و طراحی سازه انجام می‌گیرد.

در سازه فلزی قابی با استفاده از پروفیل‌های فولادی اقدام به ساخت تیرها و ستون‌های سازه با استفاده از روش پیچ و مهره می‌شود که در کارخانه یا در کارگاه انجام می‌شود. البته گاهاً نیز از روش جوشکاری هم برای اتصال تیرها و ستون‌ها استفاده می‌شود که منسوخ شده و مورد تأیید سازمان نظام مهندسی ساختمان نیست.

ناگفته نماند که برای اجرای سازه فلزی قابی گاهی هم از پروفیل‌های فولادی با سطح مقطع مربع یا دایره هم استفاده می‌شود که در مرحله طراحی سازه با توجه به وزن سازه و نیروهای وارده بر آن محاسبه شده و تعیین می‌شود.

بیشتر بخوانید: خانه پیش ساخته چیست و چه مزایا و معایبی دارد؟

مزایای سازه فلزی قابی نسبت به بتن

از مزایای سازه فلزی قابی نسبت به رقیب بتنی آن در ساختمان‌های کم طبقه می‌تواند به این موارد اشاره کرد. سازه فلزی قابی ازآنجایی‌که در کارخانه سرهم شده و در محل نسب می‌شود، نظارت بیشتری روی مراحل ساخت آن وجود دارد.

همچنین از دیگر برتری‌های سازه قابی می‌توان به تحمل بیشتر وزن و نیروهای جانبی و عمودی در آنها نسبت به سازه‌های بتنی اشاره کرد.

معایب سازه فلزی قابی نسبت به بتن

همانطور که می‌دانید آهن هنگامی‌که در معرض هوای مرطوب قرار می‌گیرد، پوسیده شده و زنگ می‌زند که باید بلافاصله پس از نصب سازه فلزی قابی اقدام به رنگ آمیزی آن با رنگ‌های ضد زنگ کرد.

از سوی دیگر مقاومت کم سازه‌های فلزی در برابر آتش سوزی نیز باید در نظر گرفته شود. با بالا رفتن دما آهن دچار تغییر شکل شده که موجب ریزش آوار می‌شود. خوشبختانه برای این شرایط نیز تمهیداتی پیش‌بینی شده است که اجرای پوشش‌های بتنی، گچی یا پلیمری ضد آتش از مهم‌ترین آنهاست.

در مقاله «تفاوت سازه بتنی و فلزی در چیست؟ اسکلت بتنی بهتر است یا فلزی؟» به طور مفصل به مقایسه دو سازه فلزی و بتنی پرداخته شده است.

انواع سازه اسکلت فولادی قابی

انواع سازه قاب‌های فلزی به دو دسته قاب ساده و قاب خمشی تقسیم می‌شوند که از آن ها برای مقابله با نیروهای جانبی وارد بر سازه هم چون نیروی حاصل از زلزله استفاده می‌شود. سیستم قاب ساده به سیستمی گفته می‌شود که کلیه اتصالات در آن به شکل مفصلی بوده و امکان مبادله لنگر وجود ندارد.

در این سیستم وظیفه قاب تنها انتقال بارهای مرده و زنده به فونداسیون است. از سوی دیگر وظیفه قاب خمشی مقاومت در برابر نیروهای جانبی بوده و به انواع گوناگون مانند قاب خمشی معمولی، متوسط و ویژه تقسیم می‌گردند.

سازه‌هایی که ساختار اسکلتی آنها از قاب‌های فولادی ساخته می‌شود، دسته بندی‌ها و انواع زیادی را شامل می‌شوند که در زیر به مهم‌ترین موارد کاربردی و همچنین انواع اتصالات آنها اشاره شده است.

ساختار سیستم قاب فولادی سوله‌ها و کارگاه‌های صنعتی

سوله‌ها و کارگاه‌های به کارگاه‌های با اسکلت فلزی سبک و سنگین تقسیم بندی می‌شوند. سیستم سازه ای این کارگاه‌ها عمدتاً از ستون‌های فولادی، تیرهای اصلی یا رفترها، استرات، لاپه یا زد (Z)، سینه بند و بادبندهای عمودی و سقفی و سایر اجزا تشکیل شده است.

ساختار اصلی قاب فولادی این سازه به شکلی است که می‌تواند تک دهانه، چند دهانه و یک طبقه یا چند طبقه بوده و طول اقتصادی آنها نیز حدود ۲۴-۳۰ متر است.

قاب خمشی یا قاب صلب

قاب صلب، قاب پیوسته یا قاب خمشی، یکی از انواع سیستم‌های مورد استفاده برای اجرای سازه های قاب فولادی است. در این سیستم، انتهای اعضای باربر سازه توسط اتصالات صلب به یکدیگر متصل می‌شوند. از این‌رو، امکان دوران نسبی اعضای سازه قاب خمشی فولادی در محل اتصالات وجود ندارد.

به این ترتیب، در صورت اعمال بار بر روی سازه، اجزای مختلف آن مانند یک جسم واحد در برابر تغییر شکل و لنگرهای خمشی مقاومت می‌کنند.

سازه فولادی قاب خمشی، از استحکام خوبی در برابر بارهای عمودی و جانبی بهره می‌برد. صلبیت این نوع سازه قابی توسط صلبیت یا سختی خمشی مجموعه تیرها و ستون‌ها تامین می‌شود.

سازه فولادی قاب خمشی معمولا دارای دهانه‌هایی بین ۱۲ تا ۳۰ متر، اتصالات پیچی یا جوشی و پروفیل‌های I شکل است. بر اساس تغییر شکل‌های غیر الاستیک مورد انتظار، نوع اتصالات مورد استفاده، سطح کنترل کیفیت و کاربری (میزان لرزه‌خیزی محدوده) به انواع زیر تقسیم می‌شود:

• قاب خمشی ساده یا OMF
• قاب خمشی متوسط یا IMF
• قاب خمشی ویژه یا SMF

از سیستم قاب صلب می‌توان برای ساخت سازه های فولادی با فضای آزاد بزرگ، ارتفاع زیاد و دهانه‌های بلند استفاده کرد.

سازه قاب فولاد نور سرد یا سازه قاب فولادی سبک

قاب فولادی سبک (Light Steel Frame) یا سیستم LFS یکی از سیستم‌های جدید ساختمان‌سازی با کاربری‌های مختلف است. طی فرآیند نورد سرد، ورق‌های نازک فولاد گالوانیزه به پروفیل‌های ساختمانی مورد نیاز برای اجرای المان‌های باربر و غیر باربر سازه تبدیل می‌شوند.

پروفیل‌های قاب فولادی سبک به منظور اجرای ساختمان‌های مسکونی، تجاری و صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. وزن پایین و اجرای دیوار خشک، عملکرد دینامیک سازه در برابر بارهای لرزه‌ای را بهبود می‌بخشد.

سرعت اجرای بالا (قابلیت اجرا به صورت اسکلت پیش ساخته)، کیفیت خوب اتصالات و کاهش حجم بتن ریزی مورد نیاز برای فونداسیون نیز از دیگر مزایای سازه LSF است.

سازه فولادی پیش ساخته

انواع سازه فلزی یا فولادی پیش ساخته، سازه‌هایی هستند که اسکلت (اعضای اصلی و اتصالات) آن‌ها در کارخانه آماده می‌شود. این سازه‌ها اغلب برای اجرای سریع ساختمان‌های وسیع با دهانه بلند نظیر انبارها مورد استفاده قرار می‌گیرند. سیستم قاب پیش ساخته در اجرای ساختمان‌های مسکونی یک طبقه و کم ارتفاع نیز کاربرد دارد.

سازه قاب فولادی سبک، از محبوب‌ترین روش‌های اجرای این سیستم است. سازه فولادی پیش ساخته برای مقاومت در برابر بارهای سقف و باد طراحی می‌شود. کیفیت و صلبیت اتصالات این نوع سازه، تعیین کننده عملکرد آن است.

سازه فولادی با دیوار برشی و باربر

در مهندسی سازه، به المان‌های عمودی طراحی شده برای مقاومت در برابر بارهای جانبی نظیر باد و زلزله، دیوار برشی می‌گویند. در سازه های فولادی می‌توان از دیوارهای برشی آجری، بتنی یا فولادی استفاده کرد.

اتصالات در قاب‌های فولادی سوله‌ها

اتصالات خاص قاب فولادی شامل اتصال پای ستون به فونداسیون، تیر به تیر، ستون به تیر، اتصال پیچی مربوط به بادبندهای سقفی، ستون به مهاربند سقفی و براکت ناودانی یا لاپه به سقف است.

برای اطلاعات بیشتر در مورد اتصالات در سازه فلزی می توانید به مقاله «انواع اتصالات در سازه فولادی از جوشی تا پیچ و مهره» مراجعه کنید.

ساختار سیستم قاب فولادی در ساختمان‌های معمولی

در مورد ساختار قاب‌های فولادی باید گفت که با افزایش تعداد طبقات، ارتفاع و بار زنده، نیازهای سازه برای مقاومت در برابر بارهای جانبی (بار باد و زلزله) افزایش خواهد یافت.

این نیاز علاوه بر اینکه باید توسط پروفیل‌های قوی‌تر مرتفع گردد بلکه به اجزای کمکی مانند قاب‌های خمشی، ساختار مهاربندی مناسب و یا دیوار برشی و هم نیازمند خواهد بود.

ساختار قاب‌ها: قاب‌ها همانطور که از نامشان پیداست، از ستون‌ها و تیرها تشکیل شده اند و هدف آنها تحمل و انتقال نیروهای عمودی و جانبی به فونداسیون و سطح زمین است. ستون‌های فولادی عموماً به شکل پروفیل‌های H  شکل، ستون‌های فولادی باکس یا ستون‌های لوله‌ای شکل هستند.

ساختار مهاربندی (بادبندی) قاب: قابی که از ستون‌ها و تیرها تشکیل شده است به منظور تحمل نیروهای جانبی به مهاربندهایی مجهز می‌شود که عموماً به شکل ضربدری اجرا می‌شوند.

ساختار دیوار برشی: به لحاظ عملکردی مشابه ساختار مهاربندی قاب هستند، با این تفاوت که به جای مهاربند فلزی از دیوار بتنی یا دیوار فولادی استفاده می‌شود تا در برابر نیروهای جانبی مقاومت کنند.

دیوار برشی عموماً یک صفحه بتنی یا یک صفحه فولادی و یا یک ساختار کامپوزیت فولادی و بتنی است که معمولاً برای ساخت سازه‌های با ارتفاعات بالاتر به کار می‌رود.

اعضای مهاربند، بار را در یک انتها دریافت می‌کنند و آن را به قاب بعدی منتقل می‌کنند تا بار در سراسر قاب‌ها توزیع شود. همچنین مهاربندها (بادبندها) در مقابل کشش نیز مقاومت می‌کنند، زیرا در نقاط تلاقی خود با استفاده از پیچ و مهره یا جوش به محل مورد نظر دوخته شده اند.

به طور خلاصه باید گفت که سیستم بادبند یا مهاربندی، مجموعه‌ای از اعضاء است که جهت استحکام و پایداری سازه در برابر نیروهای عرضی ناشی از زلزله مورد استفاده قرار می‌گیرد. بادبندها، مهم‌ترین جنبه‌های طراحی سازه‌های فولادی برای نیروهای جانبی در جهت افزایش مقاومت ساختمان هستند.

اتصالات معمول اسکلت با قاب فولادی شامل اتصالات پای ستون، اتصالات تیر به ستون، اتصالات تیر به تیر، اتصالات ستون به ستون و اتصالات مهاربندی و غیره است.